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第十三章质谱分析法一绪论按照带电粒子―离子的质量m对所带电荷e之比值（质核比，m/z）大小依次排列形成的图谱，叫做质谱（massspectrum），其所使用的仪器称为质谱仪（massspectrograph），研究化合物质谱的科学称为质谱学（massspectrometry）。100200300400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.7质谱的基本概念一、质谱是什么？MassSpectromety特殊的天平：称量离子的质量。质谱学：是一门研究气相离子结构、性质及反应行为的科学。二、质谱能做什么？定性：化合物的结构定量：混合物的组成领域：化学、生物学、医学、药学、环境、物理、材料、能源等三、质谱的独到之处是什么？4S特性：Sensitivity灵敏Speed快速Specificity特异Stoichiometry化学计量§1.2质谱分类质谱同位素质谱生物质谱结构鉴定、定量分析、气相离子化学化学、化工环境、地球药学、毒物学、刑侦生命、医学、农业科学有机质谱无机质谱质谱学的发展历史一、质谱学领域的诺贝尔（Nobel）奖1906年：物理奖J.I.Thomson贡献：正电荷离子束在磁场中的偏转磁质谱仪的基础同位素分析1989年：物理奖W.Paul贡献：离子阱技术的发明。2002年：化学奖J.B.FennVirginiaCommonwealthUniversity,USA贡献：电喷雾(ESI)电离方法生物大分子分析ElectrosprayIonizationforMassSpectrometryofLargeBiomolecules,J.B.Fenn,M.Mann,C.K.Meng,S.F.WongandC.M.Whitehouse,Science246,64(1989)KoichiTanaka(田中耕一)ShimadzuCorporation,Japan贡献：激光辅助解吸电离质谱(MALDI)电离方法生物大分子分析RapidCommunicationsinMassSpectrometry2,151-153(1988),KoichiTanaka,HiroakiWaki,YutakaIdo,SatoshiAkita,Yoshikazu二、质谱学的历史事件1886年，Goldstein发现正电荷离子1898年，Wien利用电场和磁场使正电荷离子偏转1912年，Thomson研制第世界上一台质谱仪，氖同位素的发现1918年，Dempster电子轰击电离(Electronionization)及磁聚焦1919年，Aston精密仪器，测定50多种同位素，第一张同位素表1934年，Stephens均匀扇形磁场，球差和质量色散公式Herzog和Hintenberger电磁场组合，离子光学系统1940年，Nier扇形磁场偏转质谱计，双聚集系统商品仪器的雏形235U，电磁制备方法，第二次世界大战期间在石油、化工等领域的应用1946年，Stephens飞行时间质谱(Time-offlightmassanalysis)1952年，Martin气相色谱方法1953年，Paul等四极杆分析器(Quadrupoleanalyzers)1956年，GohlkeandMcLafferty气相色谱-质谱联用(GC/MS)Beynon高分辨质谱仪(High-resolutionMS)1965年，Hipple等离子回旋共振(IonCyclotronResonance)1966年，MunsonandField化学电离(Chemicalionization)1967年，McLaffertyandJennings串联质谱(Tandemmassspectrometry)1973年，McLafferty液相色谱-质谱联用(LC/MS)，热喷雾方法1974年，Comisarow和Marshall傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)1981年，Barber等快原子轰击电离质谱(FABMS)，生物中，小分子，2000以内1989年，J.B.Fenn电喷雾电离KoichiTanaka基质辅助激光解吸电离1990年，KattaandChait电喷雾电离质谱观察蛋白质构象改变1993年，商品电喷雾质谱仪1995年，付立叶变换离子回旋共振质谱仪（与ESI和MALDI联用）1998年，高分辨飞行时间质谱仪（DelayExtract,Reflectron技术）三、我国质谱发展概况20世纪50年代，同位素质谱研究，配合核研究，技术来自于前苏联70年代，引进质谱仪，磁质谱：VG-ZAB-2F,3F（7台，北大，南京、南开、兰州、中科大、武汉、中山）VG-7070E（20多个单位）FinniganMAT系列80年代，中国科学院科学仪器厂，仿制7070E型质谱仪KYKY系列1980年，中国质谱学会，杭州成立，依托于科学仪器厂《质谱学报》创刊中国质谱学会机构：无机专业委员会、同位素专业委员会、有机质谱专业委员会、生物医学专业委员会、仪器与教育专业委员会质谱学的专著、期刊和国内国际会议专著：1.InterpretationofMassSpectra,F.W.Maclafferty2.MassSpectrometryforBiotechnology,GarySiuzdak3.MassSpectrometryintheBiologicalSciences,A.L.Burlingame4.有机质谱基础，陈耀祖，科学出版社5.质谱解析，F.W.McLafferty著，王光辉等译，化学工业出版社，期刊：1.RapidCommunicationinMassSpectrometryIP(影响因子）2.42.JournalofAmericanSocietyofMassSpectrometryIP3.03.JournalofMassSpectrometryIP2.84.MassSpectrometryReviewIP6.85.EuropeanJournalofMassSpectrometryIP1.06.InternationalJournalofMassSpectrometryIP2.17.质谱学报国内核心刊物国内会议：1.中国质谱学会学术交流会（每两年一次）已到第八届，中国质谱学会主办2.中国质谱学会各专业委员会学术交流会（每两年一次）中国质谱学会各专业委员会主办3.各地方组织的质谱专业交流会4.各质谱公司举办的用户会或专题交流会国际会议：1.InternationalConferenceofMassSpectrometry每三年一次主要在欧洲2.AnnualAmericanMassSpectrometryConference每年一次主要在美国3.BeijingConferenceandExhibitiononInstrumentalAnalysis(BCEIA)每二年一次中国科协主办，设有MassSpectrometryDivision，主要在北京常用概念一、质荷比(m/z)质谱图中的横坐标，质量与电荷之比。若离子所带电荷为z=1，则质荷比等于该离子的质量数。离子是以12C原子的1/12定义为一个质量单位，用u表示。1u=1.66054x10-27kg其它常用符号，Da,道尔顿1Da=1u二、离子的强度（丰度）I两种表示方法百分强度：所有峰的强度之和为100，每个离子所占的份额即为其百分强度，百分强度=(Ii/Ii)×100%Ii，第i个离子的强度。基峰强度：质谱图中离子强度最大的峰称为基峰，定义它的强度为100，即IB=100，其它离子强与之相比的百分强度称为该离子的强度。进样系统离子源质量分析器检测器控制和数据处理系统真空系统二仪器系统进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱4.液相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光解吸1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆一、质谱分析原理(一)进样系统进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样系统。一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要.（l）间歇式进样系统该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，典型的设计如图21．3所示。通过可拆卸式的试样管将少量（10～100μg）固体和液体试样引入试样贮存器中，由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最好在操作温度下具有1.3—0.13Pa的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜）以分子流的形式渗透过高真空的离子源中。（2）直接探针进样对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接引人到离子源中，图21．4所示为一直接引人系统。(二)离子源（Ionsource）1电子电离源(ElectronIonizationEI)由GC或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入离子源，由灯丝F发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。V加速电压试样蒸汽阴极阳极电子束离子xyz电子轰击质谱示意图一、电子轰击电离(ElectronImpact,EI)1、组成部分灯丝：钨、铼或铼钨丝，发射电子，电离样品收集极：接收灯丝发射的电子推斥极：推出产生的样品离子永久磁铁：使电子做螺旋运动，增加电离几率2、电离效率曲线灯丝产生的电子被加速到70eV,保证电离的重现性。为什么？电离效率随电子能量的升高而升高，当达50eV时，基本达到最大值，实验上设定电子能量为70eV。此时，产生的谱图有稳定的指纹特征。电离效率曲线电子能量对质谱图的影响204060801001201400204060801007710512220eVRelativeAbundancem/z204060801001201400204060801001229eVRelativeAbundancem/z2040608010012014002040608010039517710512270eVRelativeAbundancem/z不同能量下获得的苯甲酸的质谱图样品分子被打掉一个电子形成分子离子。分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。分子离子发生结构重排形成重排离子。通过分子离子反应生成加合离子。在电子轰击下，样品分子可能有四种不同途径形成离子：优点：灵敏度高，有丰富的碎片离子信息和成熟的离子开裂理论，是结构分析、鉴定的有力手段；重现性好，有标准图谱，可以通过谱库检索对未知物进行结构鉴定。缺点：样品须汽化后才可离子化适用化合物：易挥发、热稳定化合物。2化学电离源(ChemicalIonization,CI)CI源工作过程中要引进一种反应气体。反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。反应气的量比样品气要大得多。灯丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样品分子进行离子-分子反应，并使样品气电离。现以甲烷作为反应气，说明化学电离的过程:甲烷首先被电离:CH4+eCH4++CH3++CH2++CH++C++H+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4++CH4CH5++CH3CH3++CH4C2H5++H2加合离子与样品分子反应：CH5++XHXH2++CH4C2H5++XHX++C2H6生成的XH2+和X+比样品分子XH多一个H或少一个H，可表示为(M1)，称为准分子离子。优点：可以得到较强的准分子离子峰，有利于分子量的测定缺点：样品须汽化后才可离子化适用化合物：易挥发、热稳定化合物对于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度，因此，CI源一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择。由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。EI和CI源主要用于气相色谱-质谱联用仪，适用于易汽化的有机物样品分析。3快原子轰击源（FastAtomicbombardment,FAB）氩气在电离室依靠放电产生氩离